Разработка методики расчета процесса очистки топочных газов в наносекундной импульсной короне

В связи с интенсификацией применения высоковольтных технологий для очистки газовых выбросов промышленных предприятий и сложностью проведения натурного эксперимента для анализа режимов работы очистного оборудования возникла необходимость дальнейшего развития и углубления методики исследования процессов в электрическом разряде в среде топочных газов.

Наиболее перспективным направлением в конструировании электрофильтров являются аппараты, функционирующие на основе коронного разряда. Коронный разряд характеризуется многообразием режимов горения, зависящих от конфигурации электродов, полярности напряжения на коронирующем электроде и т. д. Характерным для большинства режимов является возможность высокоскоростного ввода энергии, сопровождающегося слабым нагревом газа, и, следовательно, существенная неравновесностью газоразрядной плазмы. В этих условиях плазмохимические реакции инициируются процессами с участием электронно-возбужденных частиц, молекул и их диссоциацией электронным ударом [1].

Как показано в экспериментальных и теоретических работах по очистке газовых выбросов промышленных предприятий, наиболее перспективной для проведения очистки является стримерная форма коронного разряда наносекундной длительности положительной полярности. В качестве основных преимуществ можно назвать следующие:

— большее, по сравнению с лавинной формой разряда, соотношение пе/П| (пе — концентрация электронов, п- - концентрация ионов), что позволяет поднять процент неупругих столкновений во время развития разряда [2].

— более высокая скорость очистки от Ж) х и возможность очистки от 80 г, которая происходит менее эффективно при отрицательной полярности из-за низких скоростей реакций (при условии эквивалентных энергозатрат) [3].

— более высокая электронная температура при незначительном увеличении температуры среды, свойственные для импульсной формы разряда наносекундной длительности.

Полученные экспериментальные данные о процессе очистки топочных газов от вредных примесей коронным разрядом наносекундной длительности говорят о том, что такие характеристики процесса очистки как, энергозатраты на генерацию активных частиц, эффективность очистки вредных примесей, в сильной степени зависят от ряда внешних параметров. В их число входят амплитуда, фронт прикладываемого напряжения, скорость ввода энергии в разрядный промежуток, а также начальный состав очищаемого газа. Природа влияния данных факторов сложна и ее исследование и анализ требуют проведения численных экспериментов, поскольку натурные исследования в полной мере не поясняют механизма процессов.

Таким образом, ограниченность знаний о процессах, а также сложность их объяснения на основе натурных экспериментов побуждает исследователей к математическому моделированию процессов, протекающих во время очистки. Поэтому разработка методики численного моделирования процессов очистки топочных газов коронным разрядом является важной и актуальной проблемой.

Возможности экспериментального исследования стримера ограничены измерениями таких интегральных параметров, как максимальная длина канала, средняя скорость на заданном участке, интенсивность излучения, ток через электрод, от которого стартовал стример, суммарный объемный заряд, средняя напряженность по длине стримера, перекрывшего разрядный промежуток, и средняя проводимость единицы длины его канала. Косвенными методами удается оценить полный энерговклад в стример, температуру газа в канале, порядок величины электронной концентрации.

Экспериментальными методами нельзя выяснить распределение электрического поля вдоль канала стримера, распределение концентрации компонентов стримерной плазмы в различных точках канала, динамику изменения его радиуса.

Перечисленные характеристики стримера, помимо чисто теоретической значимости, заслуживают детального изучения в связи с прикладными задачами, решение которых сводится к комплексному анализу кинетики плазмохимических реакций на разных этапах стримерного разряда и его межразрядной паузы, в различных газах. Такой анализ необходим для описания газовой кинетики разряда и достоверного определения концентраций химически активных компонентов плазмы в канале стримера, экспериментальное определение которых практически невозможно, но очень важно для процессов высоковольтных технологий.

Проведение численных экспериментов, также, позволит выявить качественные зависимости процессов очистки от широкого круга внешних параметров, что позволит в значительной степени сузить диапазон экспериментально проверяемых величин степень влияния которых потребует проверки натурным экспериментом. Так, численным экспериментом, могут быть проверены степень влияния различных добавок (аммиак, водяные пары), начальной концентрации очищаемых вредных примесей, различных изменений в режимах очистки (форма электродной системы, параметры прикладываемых импульсов напряжения и т. д.).

Учитывая важность задач, требующих решения для составления полноценной картины стримерного разряда, а также сложность и недостаточную информативность экспериментальных исследований, поиск теоретических решений является наиболее перспективным направлением в данной области.

Целью работы является разработка усовершенствованной модели процесса очистки топочных газов с помощью стримерной короны, которая включала бы неисследованные ранее моменты, связанные с учетом процессов возникновения активных частиц в стримерах при их развитии, учетом основных прямых и обратных плазмохимических реакций взаимодействия активных частиц с молекулами вредных примесей, с учетом влияния внешних факторов на энергозатраты образования активных частиц, с объяснением влияния начального состава примесей на эффективность очистки.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать комплексную модель кинетики очистки топочных газов от вредных примесей, включающую следующие важные моменты:

— учет начальных условий возникновения и развития стримеров в разрядной камере в среде топочных газов;

— подробное моделирования всех этапов развития стримера;

— детальная кинетическая модель процессов очистки вредных примесей на базе комплексной методики отбора всех наиболее значимых плазмохимических реакций в разряде и после него;

— определение начальных условий для анализа плазмохимических реакций в межразрядную паузу;

— моделирование и анализ кинетических процессов удаления вредных примесей в межразрядную паузу.

2. Выполнить анализ влияния внешних условий на характер развития разряда и динамику генерации активных частиц. Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана комплексная инженерная методика описания плазмохимических процессов очистки топочных газов от оксидов азота и серы в наносекундной импульсной короне, включающая конверсию газов под действием импульсов напряжения на стадии распространения стримеров и плазмохимические реакции в паузах между импульсами напряжения. Методика реализована в виде программного комплекса для ЭВМ, позволяющего провести численное моделирование процесса очистки топочных газов и определить наиболее благоприятные условия его реализации.

1.1. Как часть общей методики разработан алгоритм отбора реакций взаимодействия частиц плазмы коронного разряда для включения в модель расчета, что позволяет минимизировать число реакций при сохранении достоверности описания кинетических процессов. Основным критерием отбора является степень влияния отбираемых реакций на концентрацию частиц в канале и в головке стримера, участвующих в образовании химически активных компонентов плазмы как в условиях приложенного напряжения, так и в межразрядную паузу.

1.2. Для расчета степени очистки разработана программа расчета изменения концентраций компонентов плазмы в следе стримера в послеразрядную паузу. Начальными условиями расчета являются распределения концентраций всех компонентов плазмы, получаемые не на базе в-факторного метода, а расчетом по 1.5-мерной модели развития стримера.

2. Выявлены наиболее значимые факторы, влияющие на эффективность образования активных частиц в процессе развития стримера, а именно: средняя напряженность поля в разрядном промежутке, при увеличении которой в 2 раза (с 4.8 до 11.6 кВ/см), число генерируемых химически активных частиц возрастает более чем в 3 раза, и длительность фронта импульса напряжения, уменьшение которой до 1−2 не в 2−3 раза повышает концентрацию нарабатываемых активных частиц.

3. Расчетным путем показано и объяснено, что с ростом начальной концентрации N0 эффективность удаления этой примеси снижается за счет обратных реакций, что согласуется с известными экспериментальными данными.

4. Расчетным путем впервые выявлены временные интервалы и зоны стримера, в которых максимальна активность частиц, участвующих в удалении вредных примесей.

5. В результате исследований впервые установлено, что эффективность образования активных частиц и их средние концентрации определяются не только процессами на головках стримеров в области сильного поля, но и процессами в канале стримера при относительно слабой напряженности поля.

Практическая значимость полученных результатов.

Разработанная комплексная модель процессов очистки топочных газов от вредных выбросов импульсным разрядом наносекундной длительности позволяет проводить подробный анализ всех этапов процесса очистки, выявлять факторы влияющие на энергозатраты получения химически активных частиц, определять степень влияния состава топочных газов на эффективность его очистки. Разработанная модель и связанные с ней программы могут быть использованы как для теоретических исследований химической кинетики коронного разряда в топочных газах, так и для поисков направлений оптимизации технологических режимов промышленных электрофильтров.

На защиту выносятся.

1) Усовершенствованная комплексная модель процесса очистки топочных газов с помощью стримерной разряда. 2) Методика отбора реакций и констант кинетических процессов для различных газов. 3) Новые результаты численных экспериментов описывающих процесс очистки вредных выбросов топочных газов, выполненных на ЭВМ.

Методы исследования.

Комплексный метод, заключающийся в сочетании теоретического анализа и численного экспериментального исследования всех стадий очистки топочных газов как на этапе разряда так и в межразрядную паузу. Численное исследование проводилось в широком диапазоне режимов очистки топочных газов в импульсом стримерном разряде с привлечением ЭВМ.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 217 страниц. Основная часть работы состоит из 186 страниц, из которых 151 страниц машинописного текста, 8 таблиц и 63 рисунка.

Список литературы

включает 95 наименования.

4.5. Выводы.

Изложенный в данной главе анализ результатов расчетов плазмохимических процессов, происходящих при развитии стримера в топочном газе и после снятия воздействующего напряжения, позволяет сделать важные не только теоретические, но и практические выводы.

1. Определен состав и средняя концентрация основных частиц, образующихся в канале стримера, развивающегося в топочном газе. Установлены основные активные частицы и реакции с ними, приводящие к очистке топочных газов от примеси N0.

2. Анализом процессов, происходящих по всей длине стримера, выявлены временные и пространственные зоны максимальной активности частиц, участвующих в удалении вредных примесей. Атомы О, 14, ОН активны в области канала, головки и в прианодной области, время их действия распространяется на весь цикл очистки (вплоть до времени приложения следующего импульса напряжения). Молекулы 03 и Н02, накопив достаточную концентрацию ко времени снятия напряжения, активно проводят удаление вредных примесей в межразрядную стадию очистки.

3. Эффективность образования активных частиц и их средние концентрации определяются не только процессами на головках стримеров в области сильных полей, но и процессами в канале стримера в условиях слабого поля. Зону разряда, по интенсивности наработки активных частиц, можно разделить на три части: прианодная, зона канала и головки стримера. Вклад каждой из них в наработку, например, атомов О составляет соответственно 20%, 20% и 60% для длинных стримеров (>3 см) и 5%, 10% и 85% для коротких. 4. С точки зрения влияния характерных условий, определяющих работу технологических установок с использованием наносекундного импульсного разряда, важными внешними факторами, которые должны быть учтены при анализе кинетических процессов, являются амплитуда и длительность фронта импульса воздействующего напряжения, а также начальная концентрация вредных примесей N0 и БОгНа основе проведенных расчетов проанализировано влияние этих факторов на производство активных частиц в стримере. Получено в частности, что: увеличение длины фронта импульса напряжения с 0 до 30 не уменьшает число нарабатываемых в канале атомов N в 3.5 раза, атомов ОН в 2.01 раз, атомов О в 1.86 раз.- с ростом средней напряженности в разрядном промежутке с 4.76 кВ/см до 11.1 кВ/см абсолютное число генерируемых химически активных частиц возрастает в 3.1 раза, однако их число на единицу вложенной в разряд энергии падает с 3.7 1/100эВ при средней напряженности 4.76 кВ/см до 2.4 1/100 эВ при 11.1 кВ/см.

Принимая во внимание конкретные цифры данных выводов, при определении путей оптимизации внешних условий протекания разряда, следует учитывать, что для их получения была использована модель стримерного разряда, не позволяющая рассчитывать стримерную корону целиком, а моделирующая лишь одиночный стример. Тем не менее, опираясь на данные предварительных расчетов, можно отметить, что вышеуказанное допущение не меняет качественно характера процессов, их динамику и тенденцию изменения, оно лишь определяет количественные параметры и значения.

5. Проведенные расчеты показали, что изменение начальной концентрации молекул N0 в очищаемом газе с 150 ррт до 900 ррт приводят к уменьшению процента удаляемых молекул оксида азота с 18% за один импульс в одиночном следе стримера до 10.2%. Таким образом получено и впервые объяснено, что рост начальной концентрации N0 при прочих равных условиях снижает эффективность удаления этой примеси, что согласуется с экспериментальными данными, приведенными в литературе.

6. Определен диапазон внешних условий, при которых применимы полученные результаты моделирования. Выявлено, что состав газа (топочные газы нефтяного и угольного происхождения, воздух и кислород) вносит только количественные изменения, в получаемые расчетом данные меняя концентрации основных частиц, участвующих в кинетических реакциях при развитии разряда. При этом механизмы образования активных частиц и каналы их взаимодействия с вредными компонентами топочного газа сохраняются. Для упрощения задачи моделирования стримерного разряда в среде топочных газов, расчет полей может быть проведен с использованием модели для воздуха. Сравнение результатов расчета по обоим моделям показывает, что токовые характеристики разряда * в воздухе и в топочных газах практически совпадают, с достаточной для оценок точностью.

Заключение

.

1. На основании обзора и анализа литературы установлено, что экспериментальные исследования процессов технологии очистки газовых выбросов ТЭС (топочных газов) в импульсной наносекундной короне не дают объяснения ряду важных для практики зависимостей эффективности очистки от таких существенных моментов, связанных с технологическим режимом очистки, как средняя напряженность электрического поля в разрядном промежутке Еср, длительность фронта кривой воздействующего напряжения, начальная концентрация вредных примесей N0 и 802 в очищаемом топочном газе. Эти объяснения могут быть получены только с помощью математического моделирования всех этапов процесса очистки, включая этап развития стримерного разряда.

2. Анализ литературных данных позволил сформулировать основную цель работы, заключающуюся в разработке комплексной инженерной методики анализа процессов и эффективности очистки топочных газов от вредных примесей оксидов азота и серы в наносекундной стримерной короне. Разработанная с этой целью методика включает анализ процессов взаимодействия продуктов разряда с молекулами очищаемого газа как на стадии развития стримерной короны, так и в паузу между импульсами воздействующего напряжения. Существенным моментом разработанной методики является этап сбора, анализа и отбора основных химических реакций, определяющих процесс очистки, и обоснованный выбор констант этих реакций. Центральным моментом методики является модель возникновения и развития стримера, в которую введены характеристики всех основных плазмохимических реакций.

3. Основные преимущества разработанной методики заключаются в том, что: 1) она позволяет более корректно учитывать условия плазмохимических превращений в коронном разряде, в частности, различие условий наработки активных частиц в различных элементах стримера- 2) в нее включен более полный перечень химических реакций, имеющих место при возникновении и развитии стримера, включая обратные реакции восстановления молекул примесей- 3) методика позволяет расчетным путем определять начальные концентрации частиц и начальные условия процессов очистки в межразрядную паузу и оценивать эффективность этих процессов в зависимости от внешних условий развития стримерной стадии, таких как амплитуда и длительность импульса воздействующего напряжения, средняя напряженность электрического поля в разрядном промежутке.

4. Блок методики, описывающий разрядную стадию процесса очистки, реализован программным комплексом, включающим 1,5-мерную модель одиночного стримера, методику расчета поля объемного заряда стримера с учетом конкретного состава газа и позволяющим оценить возможность перехода от расчетов одиночного стримера к расчетам в условиях стримерной зоны.

5. Основным моментом разработанной модели развития стримера является включение в систему уравнений, описывающих процессы в стримере, уравнений неразрывности для каждой частицы плазмы и газа, причем правые части этих уравнений содержат члены, определяющие все процессы появления и исчезновения данной частицы, что требует знания всех реакций с ее участием. С учетом значений констант реакций на каждом временном этапе проводится анализ их перечня, что позволяет выбрать те из них, которые вносят значимый вклад в процесс наработки частиц. Это является основным критерием отбраковки реакций. Такая процедура позволяет на каждом этапе учитывать минимально необходимое число реакций, что сокращает время расчета.

6. При расчете напряженности поля объемного заряда по уравнению Пуассона в его правую часть включены концентрации заряженных частиц, определяемые не с помощью обобщенных коэффициентов, а с помощью расчета плазмохимических реакций, происходящих при развитии стримера. Это позволяет более корректно рассчитывать поле как перед головкой стримера, так и в его канале.

7. Для демонстрации применения методики расчета приведено подробное изложение всех этапов расчета для наиболее простого случая — развития стримера в кислороде — вплоть до процессов наработки химически активных частиц, которыми в кислороде являются атомы О и молекулы озона 03. Расчет охватывает стадию выбора основных реакций и их констант, стадию образования и развития стримера и стадию взаимодействия частиц после снятия воздействующего напряжения. Оценено влияние на результаты расчета размеров разрядного промежутка и показано, что вплоть до длины межэлектродного расстояния, не превышающей 10 см, можно проводить расчет характеристик стримера по модели для одиночного электрода.

8. На примере развития стримера в кислороде показано влияние на результаты расчета концентраций нарабатываемых активных частиц условий параллельного развития стримеров. Известный из литературы факт снижения интенсивности развития каждого индивидуального стримера при их параллельном развитии в воздухе подтвержден и для случая кислорода, при этом получено, что происходит заметное (на два порядка) снижение интенсивности образования активных частиц при учете параллельно развивающихся стримеров.

9. Для осуществления расчетов плазмохимических процессов в топочных газах проведен анализ основных реакций, которые могут иметь место при развитии разряда и в межразрядную паузу и их констант. Определен перечень основных активных частиц, принимающих участие в уничтожении примеси N0 в топочном газе как на стадии развития стримера, так и в межразрядную паузу. Приведены результаты отбора основных реакций для учета в модели стримера. В отличие от методик отбора реакций, описанных в литературе, основным критерием отбора в которых является оценка проводимости канала стримера, основным критерием отбора в разработанной методике является степень влияния отбираемых реакций на концентрацию образующихся активных частиц.

Показаны особенности учета фотоионизации в модели развития стримера в топочном газе. Установлены основные требования в выбору шага расчета по времени для моделирования развития стримера в топочном газе, в котором происходят реакции с большим различием констант. Рассмотрены основные процессы уничтожения частиц N0 в межразрядную паузу и показано изменение состава частиц газа к моменту приложения следующего импульса напряжения.

10. Для подтверждения достоверности результатов расчета параметров стримера в топочных газах по предложенной модели сопоставлены скорости развития стримера и формы кривых тока с приводимыми в литературе экспериментальными данными, полученными в близких условиях. Сопоставленные данные показали хорошее согласие, различие не превышает 20%, что лежит в пределах точности проводимых расчетов. Такое же согласие наблюдается и при сравнении найденного расчетом распределения напряженности поля по каналу стримера с расчетными данными, приводимыми в литературе.

11. На основании расчетов, проведенных по разработанной методике для топочных газов разных составов получены данные, позволяющие сделать ряд выводов, имеющих как теоретическую, так и практическую значимость:

— установлен перечень основных химически активных частиц и реакций с ними, приводящих к очистке топочных газов от примеси N0 как на стадии развития стримера, так и в межразрядную паузу;

— впервые подтверждено и объяснено экспериментально установленное влияние начальной концентрации примеси N0 на эффективность ее очисткипоказано, что снижение эффективности очистки связано с усилением роли обратных реакций восстановления молекул примеси за счет роста концентрации молекул N02- в частности получено, что при росте начальной концентрации N0 со 150 до 900 ррш интенсивность удаления молекул этой примеси в результате прохождения одного стримера снижается с 18% до 10%;

— впервые установлены области стримера, в которых активность частиц, участвующих в удалении примесей, максимальна, и определено, какие это частицы и в течение какого времени это происходит. Показано, что с участием электронов интенсивное удаление примесей происходит лишь в узкой зоне сильного поля головки стримера и только в период приложения импульса напряжениячастицы О, N и ОН активны в области канала стримера, его головки и в прианодной области, время их действия распространяется на весь период очистки (вплоть до момента приложения следующего импульса напряжения), молекулы.

Оз и НО2, концентрация которых к моменту окончания импульса напряжения становится достаточно высокой, активно участвуют в удалении примесей в межразрядную стадию очистки;

— на основании расчета установлено, что основной состав очищаемого газа (содержание кислорода, воды, С02) влияет только на количественные характеристики процесса очистки, меняя концентрацию основных частиц, участвующих в реакциях. При этом механизм образования активных частиц и цепочки реакций их взаимодействия с молекулами вредных компонентов топочного газа сохраняются.

12. Расчетом впервые установлены основные внешние факторы, определяющие эффективность очистки топочного газа от вредных примесей. Такими факторами являются средняя напряженность электрического поля в разрядной зоне, параметры импульса воздействующего напряжения (его амплитуда и длительность фронта импульса) и начальная концентрация вредных примесей. Так увеличение средней напряженности с 4,8 до 11 кВ/см приводит к увеличению числа активных частиц, нарабатываемых в стримере, в три с лишнем раза. В то же время увеличение длительности фронта Тф импульса напряжения с 0 до 30 не для стримеров одинаковой длины снижает число нарабатываемых активных частиц: N — в 3,5 раза, ОН — более, чем в два раза, атомов О — более, чем в полтора раза. Расчетом показано, что подобный характер изменения наработки частиц с ростом тф связан с изменением времени формирования стримера.

13. Специальным анализом установлено, что одним из способов упрощения расчетов для получения оценочных данных по наработке активных частиц в стримере в топочных газах может быть использование при определении распределения напряженности поля.